考虑固有误差的架立式应变测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种考虑固有误差的架立式应变测试方法，该法充分考虑了测试中底座支架变形引起的应变测试误差，在既有的架立式应变传感器构件中，通过选择合适尺寸及材料的底座支架、传递杆、感应杆，控制架立式应变传感器固有应变测试误差，从而满足结构应变测试准确性，进而保证了应变测试的可靠性；同时，对架立式应变传感器固有应变测试误差进行分析，获得尽可能接近真实值的测试应变，反映结构的真实应变变化，实现了结构应变测试的精准度和精细化。本发明提出的方法可广泛适用于结构试验、健康监控及基于动应变识别移动荷载等技术领域。
【专利说明】
考虑固有误差的架立式应变测试方法
技术领域
[0001] 本发明属于架立式应变测试方法，尤其设及一种考虑固有误差的架立式应变测试 方法。
【背景技术】
[0002] 在当今±木工程行业中，应变测量广泛地应用于建筑、铁路、桥梁、交通、大巧等结 构上。结构的应变测试是工程人员了解结构受力状态、保证结构安全W及进行结构设计优 化的一个重要的环节。例如在大跨度桥梁的施工过程W及营运过程的长期健康监测中，对 关键截面的应力应变进行监测，为桥梁的施工、营运、加固提供依据，确保结构安全是桥梁 建设一个必不可少的环节。
[0003] 由于安装在结构表面、替换方便，架立式应变传感器被广泛应用于建筑、铁路、桥 梁、交通、大巧等结构表面的应变测试。在测试过程中，底座支架尺寸选择不当会产生较大 的变形，严重影响应变测试结果的可靠性，甚至底座支架引起的应变误差远大于所测试结 构本身的应变。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种考虑固有误差的架立式应变测试方法，该法 可实现结构应变测试的精准度和精细化，可广泛适用于结构试验、健康监控及基于动应变 识别移动荷载等技术领域。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用W下技术方案:考虑固有误差的架立式应变测 试方法，包括W下步骤：
[0006] <1〉在一定的材料和尺寸范围内，选择构建架立式应变传感器的底座支架、传递 杆、感应杆，使得传感器固有测试应变误差特征系避
苗和I分别为底座支架有效高度、弹性模量及截面惯性矩，l、s、e分别为感应杆有 效长度、截面面积、弹性模量为，L为2个底座支架的中屯、间距，传递杆的有效长度为化-1)、 截面面积为S、弹性模量为E;
[0007] <2〉安装架立式应变传感器:在被测试结构表面平行应变方向钻孔植筋或焊接安 装中屯、间距为L的2个底座支架，各底座支架顶端分别与1根传递杆连接，两传递杆的相邻端 与附有应变感应装置的感应杆连接；
[000引<3〉荷载发生变化时或变化后，读取架立式应变传感器示值应变Eg,按公式计算架 立式应变传感器测试真值应变63;所述公式为63=684 68=(14)68,63=(14^，是二嘴， 式中驾为架立式应变传感器固有测试应变误差，τ为架立式应变传感器固有应变误差特征 系数。
[0009] 应变感应装置为电阻式应变片或钢弦式感应装置。
[0010] 针对现有架立式应变测试可靠性差的问题，发明人建立了一种考虑固有误差的架 立式应变测试方法，该法充分考虑了测试中底座支架变形引起的应变测试误差，在既有的 架立式应变传感器构件中，通过选择合适尺寸及材料的底座支架、传递杆、感应杆，控制架 立式应变传感器固有应变测试误差，从而满足结构应变测试准确性，进而保证了应变测试 的可靠性；同时，对架立式应变传感器固有应变测试误差进行分析，获得尽可能接近真实值 的测试应变，反映结构的真实应变变化，实现了结构应变测试的精准度和精细化，可广泛适 用于结构试验、健康监控及基于动应变识别移动荷载等技术领域。
【附图说明】
[0011] 图1是架立式应变传感器的立面构造图。
[0012] 图2是底座支架变形求解原理图。
[0013] 图3是传递杆、感应杆变形前示意图。
[0014] 图4是传递杆、感应杆变形后示意图。
[001引图中：1被测试结构物，2底座支架，3传递杆，4感应杆(附应变感应装置），5作用力 F，6变形后的底座支架。
【具体实施方式】
[0016] 本发明考虑固有误差的架立式应变测试方法的基本原理(如图1至4)
[0017] 1.操作步骤
[001引<1〉在既有的架立式应变传感器构件中，选择构建架立式应变传感器的底座支架、 传递杆、感应杆，使得传感器固有测试应变误差特征系数
量小；
[0019] 式4
和I分别为底座支架高度、弹性模量及截面惯性矩，1、S、 e分别为感应杆有效长度、截面面积、弹性模量为，L为2个底座支架的中屯、间距，传递杆的长 度为化-1)、截面面积为S、弹性模量为E;
[0020] <2〉安装架立式应变传感器:在被测试结构（1)表面平行应变方向钻孔植筋或焊接 安装中屯、间距为L的2个底座支架，各底座支架顶端分别与1根传递杆(3)连接，两传递杆(3) 的相邻端与附有应变感应装置（电阻式应变片或钢弦式感应装置)的感应杆(4)连接，被测 试结构（1)、底座支架(2)、传递杆(3)及感应杆(4)构成一个框架，底座支架(2)、传递杆(3) 及附有应变感应装置的感应杆(4)构成架立式应变传感器；
[0021] <3〉荷载发生变化时或变化后，读取架立式应变传感器示值应变Eg,按公式计算架 立式应变传感器测试真值应变εζ;所述公式为εζ = = ) Eg, εζ= () Eg，璋=访g， 式中缉为架立式应变传感器固有测试应变误差，τ为架立式应变传感器固有应变误差特征 系数。
[0022] 2.公式推导
[0023] 把底座支架看作高度为h的悬臂梁，其端部受到端部为F力时，悬臂梁变形晓度曲 线为式(1)，见图2所示。
[0024]
(1)
[0025] 式(1)中式X为悬臂梁的轴向坐标，护和I分别为底座支架弹性模量、截面惯性矩，
[0026] 当x = h时，可得悬臂梁端部的变形晓度值式(2):
[00271
倒
[0028] 外力F的作用下传递杆和感应杆的应变分别为eE、eg，由传递杆和感应杆的轴向力 相等，可得式(3)，见图3和图4所示。
[0029] F =沈 ec = seeg (3)
[0030] 令篇:::，可得式(4)与式(5):
[0031]
(4)
[0032] e〇 = Aeg (5)
[0033] 同理可得误差应变关系式(6):
[0034]
化)：
[0035] 由变形协调条件可知，感应杆和传递杆的变形量之和与两个支架的变形量之和相 等，即可得式(7)。
[0036]
(7)
[0037] 式(3)和式(6)代入式(7)，得式(8):
[00；3 引
健）
[0039] 令# = 式(8)化简后可得式(9):
[0040]
(9)
[0041 ] 令
，可得式(10):
[0042] 是、放" （i的
[0043] 由于底座支架的变形使得示值应变Eg小于真值应变εζ，考虑因底座支架变形后的 应变误差％和示值应变Eg之和即是传感器的真值应变εζ，因此有式(11):
[0044] εζ=Ε8·Κε；8=(1·Ητ)ε；8 (11)
[0045] τ为外置式传感器误差特征系数，与传感器的材料和结构有关。可见传感器的固有 测试误差与传感器的示值成正比例，即示值应变越大，误差越大；当材料和结构一定值时， 传感器误差特征系数是恒定值，从既有的架立式应变传感器构件中，选择构建架立式应变 传感器的底座支架、传递杆、感应杆，使得传感器固有测试应变误差特征系数最小，即可获 得最接近真实值的测试应变。
[0046] W下通过应用实例具体说明本发明，应用实例参照上述方法操作进行。
[0047] 应用实例1
[004引在既有的架立式应变传感器构件中，按固有测试应变误差特征系I
最小原则，预先测算并选定构建架立式应变传感器的底座支架、传递杆、感应杆(传感器误 差特征系数τ = 0.0076)，然后开始安装架立式应变传感器。
[0049] 在结构表面钻孔植筋中屯、间距为166mm的2个底座支架;直径18mm的传递杆顶端与 底座支架连接;在长度16mm的感应杆两侧对称分别粘贴电阻式应变片，感应杆截面为6mmX 0.5mm矩形。传递杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度分别为254.47mm2、200G化、 5.0894 X 104kN/mm;感应杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度分别为3.00mm2、 71GPa、2. 13X l〇2kN/mm;底座支架高度、弹性模量、惯性矩分别为15mm、210GPa、 3005508.9mm4;感应杆与传递杆的轴向刚度比为0.0041852，感应杆两端部开孔的中屯、距离 为与底座中屯、间距比为0.09639。实例1测试误差分析见表1。
[0050] 表1实例1误差应变分析结果
[0化1 ]
[0化2] 应用实例2
[0化3]在既有的架立式应变传感器构件中，按固有测试应变误差特征系I
最小原则，预先测算并选定构建架立式应变传感器的底座支架、传递杆、感应杆(传感器误 差特征系数τ = 〇.0243)，然后开始安装架立式应变传感器。
[0054]在结构表面植筋中屯、间距为520mm的2个底座;直径23mm的传递杆穿入底座的顶端 的开孔，并采用螺帽在底座顶端开孔的两侧将传递杆梓紧;在两端开孔中屯、距为10mm的侣 儀合金感应杆两侧对称分别粘贴电阻式应变片，感应杆截面为4mmX 0.5mm矩形;并采用防 护材料将电阻式应变片和粘贴有电阻式应变片的部分感应杆包裹防护;在传递杆的相邻端 采用螺栓将感应杆和传递杆连接梓紧固定;调整螺帽使底座、传递杆和感应杆充分受力。传 递杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度分别为415.48mm2、210G化、8.7245 X 104kN/ mm;感应杆的截面面积、材料弹性模量、轴向变形刚度分别为2.00mm2、40GPa、0.80 X 102kN/ mm;底座支架高度、弹性模量、惯性矩分别为2〇111111、2106?3、4148928.〇1111114;感应杆与传递杆 的轴向刚度比为0.0009169,感应杆两端部开孔的中屯、距离为与底座中屯、间距比为 0.019231。实例2测试误差分析见表2。
[0055]表2实例2误差应变分析结果
[0化6]
[0057]~表1和表2中各指标参数含义如下:
[0化引示值应变:架立式应变传感器的显示应变。
[0059] 误差应变:架立式应变传感器测试固有误差应变。
[0060] 真值应变:误差应变和示值应变之和。
[0061 ]相对误差：I误差应变I X 100/真值应变。
【主权项】
1. 一种考虑固有误差的架立式应变测试方法，其特征在于包括以下步骤： 〈1>在一定的材料和尺寸范围内，选择构建架立式应变传感器的底座支架、传递杆、感 应杆，使得传感器固有测试应变误差特征KE'和I分别为底座支架有效高度、弹性模量及截面惯性矩，l、s、e分别为感应杆有效长度、 截面面积、弹性模量为，L为2个底座支架的中心间距，传递杆的有效长度为(L-1)、截面面积 为S、弹性模量为E; 〈2>安装架立式应变传感器:在被测试结构表面平行应变方向钻孔植筋或焊接安装中 心间距为L的2个底座支架，各底座支架顶端分别与1根传递杆连接，两传递杆的相邻端与附 有应变感应装置的感应杆连接； 〈3>荷载发生变化时或变化后，读取架立式应变传感器示值应变eg，按公式计算架立式 应变传感器测试真值应变εz;所述公式为εζ = εg+Tεg = (1+τ) εg，εz = (1+τ) εg，气.=，式中 &为架立式应变传感器固有测试应变误差，τ为架立式应变传感器固有应变误差特征系数。2. 根据权利要求1所述的考虑固有误差的架立式应变测试方法，其特征在于:所述应变 感应装置为电阻式应变片或钢弦式感应装置。
【文档编号】G01B21/32GK105823458SQ201610351765
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】郝天之, 陈齐风, 王龙林, 刘世建, 邱波, 于孟生
【申请人】广西交通科学研究院